JP2015038048A

JP2015038048A - ラクトン化合物の製造方法

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Publication number: JP2015038048A
Application number: JP2013169635A
Authority: JP
Inventors: 諭佐久間; Satoshi Sakuma; 浩幸森; Hiroyuki Mori; 安齋　竜一; Ryuichi Anzai; 竜一安齋
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2015-02-26

Abstract

【課題】不純物の生成を抑制できるラクトン化合物の製造方法を提供する。
【解決手段】工程（ａ）：下記式（１）で表される化合物を、溶媒中、水素化ホウ素ナトリウムの存在下で還元反応させる還元工程、および工程（ｂ）：前記工程（ａ）で得られた反応液にｐＨ調整剤を加えるｐＨ調整工程、を含む、下記式（２）で表されるラクトン化合物および／または下記式（３）で表されるラクトン化合物の製造方法であって、前記工程（ａ）の反応温度が−２５℃以上０℃未満であるラクトン化合物の製造方法。
［化１］

【選択図】なし

Description

本発明は、ラクトン化合物を製造する方法に関する。

ラクトン化合物は、医薬、農薬等の機能性化学品の原料として広く用いられる。特に、活性な炭素−炭素二重結合を有するラクトン化合物には、例えば、（メタ）アクリル酸等の重合性カルボン酸を付加させたり、ハイドロボレーション反応で水酸基を導入した後にエステル化させたりすることが可能である。こうして得られるラクトン骨格含有（メタ）アクリル酸エステルを原料とした高分子化合物を含むレジスト材料は、感度、解像性、エッチング耐性に優れるため、電子線や遠紫外線による微細加工に有用である。
このような背景から、分子内に炭素−炭素二重結合を有する酸無水物の還元によって、炭素−炭素二重結合を残したまま、酸無水物のみを選択的に還元してラクトン化合物を得るための方法が種々検討され、報告されている（例えば特許文献１および２）。

特許文献１の実施例には、白色固体の５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸無水物をＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに溶解し、０〜１０℃に冷却し、温度が４０℃以上にならないように注意しながら、還元剤として水素化ホウ素ナトリウムを少しずつ加えて反応させてラクトン化合物を得る方法が記載されている。

特許文献２の実施例には、反応器にテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）と水素化ホウ素ナトリウムを仕込み、−１０℃に冷却し、反応液の温度を８℃以下に保ちつつ、ここに５−ノルボルネン２，３−ジカルボン酸無水物のＴＨＦ溶液にメタノールを加えたものを滴下して反応させ、ラクトン化合物を得る方法が記載されている。

ノルボルネンラクトン骨格を有する（メタ）アクリル酸エステルの中でも、特にノルボルネン骨格の橋頭位に酸素原子や硫黄原子などのヘテロ原子を有する（メタ）アクリル酸エステルは、光酸発生剤の分散や露光時の酸の拡散制御が容易であり、化学増幅型レジストに使用する重合体を構成する重合性単量体として有用である。
特許文献３の実施例には、反応器にジメトキシエタン（ＤＭＥ）と水素化ホウ素ナトリウムを仕込み、５℃に冷却し、反応液の温度を１０〜１５℃に保ちつつ、ここにノルボルネン骨格の橋頭位に酸素原子を有する酸無水物のＤＭＥ溶液を滴下して反応させ、ラクトン化合物を得る方法が記載されている。

特開２００２−２３４８８２号公報特開２００３−１４６９７９号公報国際公開第２０１２／１７３２０９号

しかしながら、特許文献１〜３に記載されている方法で得られる生成物にあっては、ＧＰＣにて分析したときに、目的化合物（ラクトン化合物）よりもわずかに高分子量領域に不純物が認められることがある。このような不純物を含むラクトン化合物を用いてラクトン骨格含有（メタ）アクリル酸エステル等を製造すると、得られるラクトン骨格含有（メタ）アクリル酸エステルにも不純物が含まれることになる。
一般に、レジスト材料の原料として利用される（メタ）アクリル酸エステルに不純物が含まれていると、それを重合して得られる重合体をレジスト材料として使用する際に欠陥等の不具合が生じる原因となるおそれがある。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、不純物の生成を抑制できるラクトン化合物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のラクトン化合物の製造方法は、下記式（１）で表される化合物から、下記式（２）で表されるラクトン化合物および／または下記式（３）で表されるラクトン化合物を製造する方法であって、下記工程（ａ）および下記工程（ｂ）を含み、工程（ａ）の反応温度が−２５℃以上０℃未満であることを特徴とする。
工程（ａ）：下記式（１）で表される化合物を、溶媒中、水素化ホウ素ナトリウムの存在下で還元反応させる還元工程。
工程（ｂ）：前記工程（ａ）で得られた反応液にｐＨ調整剤を加えるｐＨ調整工程。

前記工程（ａ）において、前記溶媒と前記水素化ホウ素ナトリウムとの混合液に対して、前記式（１）で表される化合物を固体状態で添加して還元反応させることが好ましい。

本発明のラクトン化合物の製造方法によれば、不純物の含有量が低減されたラクトン化合物が得られる。

本発明のラクトン化合物の製造方法は、上記式（１）で表される化合物（以下、「化合物（１）」ということもある。）を水素化ホウ素ナトリウムで還元し、上記式（２）で表されるラクトン化合物（２）（以下、「ラクトン化合物（２）」ということもある。）および／または上記式（３）で表されるラクトン化合物（以下、「ラクトン化合物（３）」ということもある。）を製造する方法である。
具体的には、本発明の製造方法は、下記の工程（ａ）還元工程および工程（ｂ）ｐＨ調整工程を順に含む。また本発明の製造方法は、必要に応じて工程（ｃ）をさらに経て目的のラクトン化合物が得ることができる。
工程（ａ）：下記式（１）で表される化合物を、溶媒および水素化ホウ素ナトリウムの存在下で還元反応させる還元工程。本工程では下記式（４）で表される化合物および／または下記式（５）で表される化合物が生成する。
工程（ｂ）：前記工程（ａ）で得られた反応液にｐＨ調整剤を加えるｐＨ調整工程。ｐＨ調整剤を加えることによって、未反応の水素化ホウ素ナトリウムを分解して反応を停止するとともに、分子内環化反応により、下記式（２）で表されるラクトン化合物および／または下記式（３）で表されるラクトン化合物が生成する。
工程（ｃ）：必要に応じて、前記工程（ｂ）で得られた反応液からのラクトン化合物の抽出、水洗浄等の処理を行う工程（精製工程）。

＜式（１）で表される化合物＞
化合物（１）は、４，１０−ジオキサトリシクロ［５．２．１．０^２，６］デカ−８−エン−３，５−ジオンである。
化合物（１）は、フランと無水マレイン酸とのディールス・アルダー付加反応で合成することができる。市販品を用いてもよい。化合物（１）は常温で固体である。

＜水素化ホウ素ナトリウム＞
水素化ホウ素ナトリウムとしては、市販の試薬を用いることができる。水素化ホウ素ナトリウムの使用量は、転化率向上（反応収率向上）の点から、化合物（１）の１モルに対して０．５モル以上であり、０．８モル以上が好ましい。水素化ホウ素ナトリウムの使用量は、ジアルコール体の副生を抑制する点から、化合物（１）の１モルに対して１．５モル以下であり、１．２モル以下が好ましい。

＜溶媒＞
化合物（１）の水素化ホウ素ナトリウムによる還元反応は、溶媒中で行われる。
溶媒としては、例えば、アルコール類（メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブタノール、ｔ−ブタノール等）、エーテル類（ジエチルエーテル、メチル−ｔ−ブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等）、エステル類（酢酸エチル、γ−ブチロラクトン等）、ニトリル類（アセトニトリル等）、アミド類（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド等）、炭化水素類（トルエン、キシレン、ヘキサン等）等が挙げられる。溶媒は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

溶媒としては、速い反応速度が得られやすく、水素化ホウ素ナトリウムおよび化合物（１）の溶解性が高く、ジアルコール体の副生が抑制される点から、テトラヒドロフラン、メタノール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、テトラヒドロフランとアルコール類との混合溶媒、ジメトキシエタンとアルコール類の混合溶媒が好ましい。特に、高い反応収率で目的のラクトン化合物が得られる点や、ジアルコール体の副生を十分に抑制する点から、テトラヒドロフランとメタノールとの混合溶媒、またはジメトキシエタンとアルコール類の混合溶媒が好ましい。
混合溶媒を用いる場合のアルコール類の使用量は、アルコール類の種類にもよるが、反応速度の点から、水素化ホウ素ナトリウムの１モルに対して０．１モル以上が好ましく、０．５モル以上がより好ましい。また水素化ホウ素ナトリウムの安定性の点から、水素化ホウ素ナトリウムの１モルに対して２０モル以下が好ましく、１０モル以下がより好ましい。

溶媒の使用量は、反応速度の点から、化合物（１）の１質量部に対して１００質量部以下が好ましく、３３質量部以下がより好ましく、２０質量部以下がさらに好ましく、１０質量部以下が特に好ましい。溶媒の使用量は、反応液の粘性悪化の抑制の点から、化合物（１）の１質量部に対して０．５質量部以上が好ましく、１質量部以上がより好ましく、１．５質量部以上がさらに好ましい。

＜工程（ａ）：還元工程＞
工程（ａ）は、反応器内に、水素化ホウ素ナトリウムまたは化合物（１）の一方と、溶媒とを仕込んでおき、ここに水素化ホウ素ナトリウムまたは化合物（１）の他方を徐々に供給する供給工程を有する。さらに、供給終了後、所定の温度に保持して反応を進行させる熟成工程を有することが好ましい。
供給工程は、例えば、反応器に水素化ホウ素ナトリウムおよび溶媒を仕込み、これらの混合液に固体状態の化合物（１）を少量ずつ添加して供給する方法、反応器に水素化ホウ素ナトリウムおよび溶媒を仕込み、これに溶媒に溶解した化合物（１）を供給する方法、または、反応器に化合物（１）および溶媒を仕込み、これに水素化ホウ素ナトリウムまたはその懸濁液を滴下して供給する方法で行うことができる。
特に、反応器に水素化ホウ素ナトリウムおよび溶媒を仕込んでおき、これらの混合液に対して固体状態の化合物（１）を供給する方法が、溶媒の使用量が少なくて済み、生産性向上およびコスト削減の点で好ましい。
なお、溶媒を２種以上併用して用いる場合、各々の溶媒は別々に反応器に供給してもよく、予め混合して供給してもよい。

還元工程の還元反応は、反応器および原料溶液の受器等を不活性ガス雰囲気としておくことが好ましい。不活性ガスとしては、反応の円滑な進行を阻害しないものであればよく、ヘリウムガス、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。

（反応条件）
水素化ホウ素ナトリウムの存在下での化合物（１）の還元反応は発熱反応である。本発明において、化合物（１）の還元反応の反応温度は、−２５℃以上０℃未満の範囲内とする。
本発明における工程（ａ）の還元反応の反応温度の範囲とは、溶媒中に水素化ホウ素ナトリウムおよび化合物（１）が存在する直前から、次工程（ｂ）のｐＨ調整工程のｐＨ調整剤が添加される直前までの反応液の温度の範囲を意味する。
工程（ａ）の還元反応の反応温度を０℃未満とすることにより、不純物の生成を良好に抑制でき、とくに、目的化合物（ラクトン化合物）よりもわずかに高分子量領域に不純物（以下、高分子量不純物ということもある。）の生成を抑制できる。
還元反応の反応温度が−２５℃以上であると、化合物（１）の還元反応が十分に進み、目的のラクトン化合物（ラクトン化合物（２）および／またはラクトン化合物（３））を効率良く製造できる。

具体的には、上記供給工程において、反応器内に、溶媒と、水素化ホウ素ナトリウムまたは化合物（１）の一方との混合液を存在させ、該混合液を所定の下限温度ｔ^１℃（−２５℃≦ｔ^１）に冷却する。
次いで、反応器内の温度ｔ^１℃の混合液に、水素化ホウ素ナトリウムまたは化合物（１）の他方の供給を開始する。これにより還元反応が開始して反応液の温度が上昇するため、該供給が終了するまで、反応液の温度が所定の上限温度ｔ^２℃（ｔ^２＜０℃）以下（または未満）となるように管理し、必要に応じて冷却する。
供給工程における、水素化ホウ素ナトリウムまたは化合物（１）の他方の供給速度は、反応液の温度が所定の上限温度ｔ^２℃を超えないように調整することが好ましい。

供給工程終了後、反応器内の反応液を所定の保持温度ｔ^３℃（−２５℃≦ｔ^３＜０℃）に保持して熟成工程を行うことが好ましい。熟成工程は還元反応をさらに進行させることができればよく、好ましい保持時間は保持温度によっても異なる。例えば保持時間は、反応不足が生じ難い点で３０分以上が好ましく、１時間以上がより好ましい。保持時間の上限は特に限定されないが、生産性からの点からは１０時間以下が好ましく、５時間以下がより好ましい。

＜工程（ｂ）：ｐＨ調整工程＞
（ｐＨ調整剤）
ｐＨ調整剤としては、少なくとも酸が用いられる。酸としては、例えば、鉱酸（塩酸、硫酸、硝酸、リン酸等）、酸性イオン交換樹脂等が挙げられる。ｐＨ調整剤は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。ｐＨ調整剤としては、大量合成の取り扱いやすさ等の点から、硫酸が好ましい。
ｐＨ調整剤は水と混合して滴下してもよい。この場合、ｐＨ調整剤と水の混合物中のｐＨ調整剤の濃度は、分子内環化反応が効率よく進行する点から、０．１質量％以上が好ましく、５質量％以上がより好ましい。該ｐＨ調整剤の濃度は、発泡防止の点から、７０質量％以下が好ましく、５０質量％以下がより好ましい。

（ｐＨ調整剤の添加）
工程（ｂ）においては、工程（ａ）で得られた反応液にｐＨ調整剤および水を添加し、該反応液の水相を酸性にすることで反応を停止するとともに、分子内環化反応によりラクトン化合物（２）および／またはラクトン化合物（３）を得る。
ｐＨ調整剤の使用量は、ｐＨ調整剤添加後の水相のｐＨに応じて適宜調節する。
調節される水相のｐＨは、ラクトン化合物の加水分解体生成抑制の点から、４．０以下が好ましく、３．０以下がより好ましく、２．０以下がさらに好ましい。また、調節される水相のｐＨは０．１以上とし、効率的な酸の除去を行いやすい点から１．０以上が好ましい。

ｐＨ調整剤の添加終了後、必要に応じて、０．０１時間以上５０時間以内の保持時間を設けることが好ましい。これにより、分子内環化反応をより効率よく進行させることができる。該保持時間は、０．１〜４０時間がより好ましい。
ｐＨ調整工程（工程（ｂ））における反応液の温度は、生成物の熱分解（逆Ｄｉｅｌｓ−Ａｌｄｅｒ反応）抑制の点で、６０℃を超えないように管理されることが好ましく、４０℃以下に管理されることがより好ましい。
該反応液の温度の下限値は環化反応を効率よく進行させるためには０℃以上が好ましく、１０℃以上がより好ましい。

＜工程（ｃ）：精製工程＞
工程（ｂ）終了後の反応液からのラクトン化合物（ラクトン化合物（２）およびラクトン化合物（３）の一方または両方）の抽出は、該ラクトン化合物を溶解する有機溶媒を用いて実施できる。
抽出に用いる有機溶媒としては、エーテル類（ジメチルエーテル、メチル−ｔ−ブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル等）、ケトン類（メチル−ｎ−プロピルケトン、メチル−ｎ−ブチルケトン、メチルイソブチルケトン等）、芳香族炭化水素類（トルエン、キシレン等）、エステル類（酢酸エチル等）等が挙げられる。有機溶媒は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
有機溶媒の使用量は、特に限定されないが、抽出効率の点から、反応液中のラクトン化合物の合計量に対して質量基準で０．０５倍以上２０倍以下が好ましい。
抽出は、複数回実施してもよい。

反応液または抽出液を水で洗浄すると、ｐＨ調整剤として用いた酸等を低減できる。
反応液または抽出液を得た後、蒸留、再結晶、クロマトグラフィ等の公知の方法により目的のラクトン化合物を精製してもよい。純度が高い場合は必ずしも精製する必要はなく、例えば、抽出液を濃縮することによって目的のラクトン化合物を得てもよい。

（高分子量不純物）
こうして得られるラクトン化合物（ラクトン化合物（２）および／またはラクトン化合物（３））は、工程（ａ）の還元反応を所定の低温度で行うことにより、目的のラクトン化合物よりもわずかに高分子量領域に認められる不純物（高分子量不純物）を低減させるとができる。
かかる高分子量不純物は、後述するＧＰＣ測定において、保持時間が１０．６分〜１５．１分にブロードのピークが検出される不純物である。なお、該ＧＰＣ測定においてラクトン化合物（２）および（３）のピークは保持時間１５．７分に検出される。
これらの高分子量不純物は、二重結合部位での重合、フラン骨格の開環重合、ラクトン部位でのポリエステルの形成等により数量体を形成したものであると推測される。
本発明によれば、得られたラクトン化合物を用いてラクトン骨格含有（メタ）アクリル酸エステル等を製造した場合に、このような高分子量不純物の含有量を低減させることができる。

以上説明した本発明のラクトン化合物の製造方法によれば、高分子量化合物（高分子量不純物）の生成を抑制することができ、目的とするラクトン化合物（２）および／またはラクトン化合物（３）を高純度で合成することができる。

以下、実施例により本発明を説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
以下の例において、高分子量不純物の分析は下記のＧＰＣ測定方法により行った。
＜ＧＰＣ測定方法＞
装置：Ｗａｔｅｒｓ社製、ＨＰＬＣ（解析：Ｍｉｌｌｅｎｎｉｕｍ３２）
カラム：昭和電工社製、ＳｈｏｄｅｘＫＦ−８０１（商品名）を２本直列に接続したもの
移動相：テトラヒドロフラン
流速：１．０ｍＬ／ｍｉｎ
検出器：示差屈折検出器（ＲＩ検出器）
カラム温度：４０℃
サンプル調製：ラクトン化合物３０ｍｇをＴＨＦ１ｍｌに溶解

〔実施例１〕
滴下ロート、温度計および冷却器を備えた丸底フラスコ（反応器）に磁気撹拌子を入れて加熱乾燥した。窒素気流下で室温まで冷却後、１，２−ジメトキシエタン（以下、ＤＭＥと記す）２１４ｇおよび水素化ホウ素ナトリウム５．７０ｇ（０．１５ｍｏｌ）を順次入れ、供給開始前の反応器内の混合液の温度ｔ^１（供給開始直前の下限温度）が−１０℃になるように攪拌・冷却した。なお、窒素は反応終了まで流し続けた。
この混合液の温度をｔ^１℃に保ちながら、該混合液にメタノール４．８２ｇ（０．１５ｍｏｌ）をゆっくり添加した後、化合物（１）である４，１０−ジオキサトリシクロ［５．２．１．０^２，６］デカ−８−エン−３，５−ジオンの２５．０ｇ（０．１５ｍｏｌ）を、温度上昇を考慮して少量ずつ供給した。化合物（１）の供給中の反応液の温度が０℃未満（供給工程における上限温度ｔ^２）となるように管理した。化合物（１）の供給終了後、反応液の保持温度ｔ^３を−９℃として２時間熟成を行った。溶媒の使用量は、化合物（１）の１質量部に対して８．７５質量部である。
この後、予め濃硫酸１２．７ｇ（０．１３ｍｏｌ）と水１２２ｇを混合しておいた混合液を、滴下ロートより反応液の温度が２℃を超えないように管理しながらゆっくりと添加し、反応液のｐＨが１以下になるように調整した。

添加終了後の反応液をエバポレーターで１３２ｇまで濃縮して得られた濃縮液にメチルイソブチルケトン１３９ｇを加え、４０℃で抽出した。水層にさらにメチルイソブチルケトン１３９ｇを加え、４０℃で抽出した。２回の抽出により得られたメチルイソブチルケトン溶液を合わせて、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液１１．６ｇで洗浄し、次いで飽和食塩水１１．６ｇでさらに洗浄した。得られた溶液をエバポレーターで１７４ｇまで濃縮した後、析出した無機塩を減圧ろ過にて除去した。ろ過後の溶液を４０℃で更に８１．７ｇまで濃縮し、ヘプタン１５９ｇを１時間かけて滴下した後、１時間に１０℃の速度で冷却して晶析を行った。結晶をろ別して、予めメチルイソブチルケトン１．０３ｇとヘプタン３．１０ｇを混合して５℃に冷却しておいた溶液でリンスした後、結晶を４０℃で減圧乾燥して、ラクトン化合物（２）および／またはラクトン化合物（３）を合計で１６．８ｇ得た。
得られた結晶のＧＰＣを測定した結果、高分子量不純物が０．１９質量％含まれていた。
主な製造条件とラクトン化合物の収量および高分子不純物の含有量を表１に示す。

〔実施例２および比較例１、２〕
実施例１において、温度ｔ^１、ｔ^２、ｔ^３を表１に示す通りにした以外は、実施例１と同様の方法で目的のラクトン化合物（ラクトン化合物（２）およびラクトン化合物（３）の一方または両方）の結晶を得た。得られたラクトン化合物の収量および高分子不純物の含有量を表１に示す。

〔比較例３〕
実施例１において、供給開始前の反応器内の混合液の温度ｔ^１（供給開始直前の下限温度）を−３０℃に変更した以外は、実施例１と同様の方法で反応を行った。得られた生成物は、ＨＰＬＣによる測定でピークが全く検出されず、目的のラクトン化合物（ラクトン化合物（２）および／またはラクトン化合物（３））が生成しなかったことが認められた。

表１の結果より、工程（ａ）の反応温度が−２５℃以上、０℃未満の範囲内である実施例１、２は、高分子量不純物の生成が顕著に抑制されたことがわかる。一方、工程（ａ）の反応温度が５℃以上（比較例１、２）であると、高分子量不純物が大きく増加し、−３０℃以下（比較例３）であると還元反応が進行しなかった。

Claims

下記式（１）で表される化合物から、下記式（２）で表されるラクトン化合物および／または下記式（３）で表されるラクトン化合物を製造する方法であって、
下記工程（ａ）および下記工程（ｂ）を含み、工程（ａ）の反応温度が−２５℃以上０℃未満である、ラクトン化合物の製造方法。
工程（ａ）：下記式（１）で表される化合物を、溶媒中、水素化ホウ素ナトリウムの存在下で還元反応させる還元工程。
工程（ｂ）：前記工程（ａ）で得られた反応液にｐＨ調整剤を加えるｐＨ調整工程。
前記工程（ａ）において、前記溶媒と前記水素化ホウ素ナトリウムとの混合液に対して、前記式（１）で表される化合物を固体状態で添加して還元反応させる、請求項１記載のラクトン化合物の製造方法。